第1章-物联网与传感器概述

和通信单元的微小节点构成无线传感器网络。在物联网全面感知
方面，传感器是最主要的部件。
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物联网传感器技术与应用
1.2
传感器的组成和分类
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1.2.1传感器的组成
传感器通常由敏感元件（Sensing Element）和转换元件 （Transduction Element）组成，敏感元件指传感器中能直接感受
化、集成化、智能化和网络化的发展方向，使同学们认识到微机电系统、智 能传感器、多传感器信息融合、无线传感器网络等正逐步将传感器带入物联 网的时代，物联网传感器将对信息技术产生重大影响。
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本书内容组织方式
第 1 章为物联网与传感器概述，分别介绍了物联网的概念、传感器的概 念、传感器的发展趋势、物联网中的无线传感器网络。 第2章介绍了传感器的一般特性，包括传感器的静态特性和动态特性。 第 3 ～10章讲解了电阻式、电容式、电感式、热电式、压电式、磁电式、
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1.3.4传感器智能化、多融合、网络化的发展趋势
1.传感器智能化 智能传感器就是将传感器获取信息的基本功能，与微处理器 信息分析和处理的功能紧密结合在一起，对传感器采集的数据进 行处理，并对它的内部进行调节，使其采集的数据最佳。 例如，智能化的硅微传感器。
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数据发送到汇聚节点，再通过汇聚节点将数据传送到用户端，从 而达到对目标区域的监测。
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1.4.2无线传感器网络的结构和特点
1. 无线传感器网络的结构 无线传感器网络通常包括传感器节点（Sensor Node）、汇 聚节点（Sink Node）和管理节点，并通过互联网或卫星将汇聚 节点和管理节点相连。
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1.3
传感器的技术特点和发展趋势
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传感器在国外的发展已有近200年的历史。到了20世纪80年 信息获取能力不足”的问题，为了解决这一问题，世界各国在同 一时期掀起了一股传感器热潮，美国也将80年代视为传感器技术
代，由于计算机技术的发展，国际上出现了“信息处理能力过剩、
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中华人民共和国国家标准GB/T 7665-2005对传感器的定义是： 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器 件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 （1）传感器的作用：体现在测量上。获取被测量，是应用传感
器的目的。
（2）传感器的工作机理：体现在敏感元件上。敏感元件能感受
1.按工作原理分类 表1.2 传感器按工作原理分类
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2.按被测量分类 表1.3 传感器按被测量分类
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3.按敏感材料分类
这种分类方法按制造传感器的材料进行分类，可分为半导体
传感器、陶瓷传感器、光导纤维传感器和金属传感器等。 4.按能量关系分类 这种分类方法可分为有源传感器和无源传感器2大类。 5.按应用范围分类 这种分类方法按应用范围分类，可分为工业用、民用、医用 和军用等。
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1.3.2传感器新原理、新材料、新工艺的发展趋势
1.发现新原理 例如，超导材料的约瑟夫逊效应发现不久，以该效应为原理
的超导量子干涉仪（SQUID）传感器就问世了（测微弱磁信号）。 2.开发新材料 例如，功能陶瓷、光导纤维、高分子聚合物材料等 。 3.采用新工艺 例如，微细加工是传感器采用的新工艺。
电源 敏感 元件
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1.2.2 传感器的分类
传感器的品种丰富、原理各异，检测对象几乎涉及各
种参数，通常一种传感器可以检测多种参数，一种参数又 可以用多种传感器测量。 传感器的分类方法非常多，下面 是几种常见的传感器分类方法。
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图1.2 无线传感器网络的结构
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2.无线传感器网络的特点 （1）自组织、无中心网络 无线传感器网络没有控制中心，网络中所有节点的地 位是平等的，是一种对等式网络。
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（2）动态性、多跳网络 无线传感器网络具有很强的网络动态性，使网络具有可调
分别用于完成信息的采集、传输和处理。
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通常将能把被测物理量、化学量或生物量转换为与之有对 应关系的电量输出的装置称为传感器。传感器是一种检测装置， 能够感受到被测量的信息，并能将检测到的信息变换成其它形式
的信号（一般为电信号），是实现自动检测的首要环节。
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器官，可以感知、探测、采集和获取目标对象各种形态的
信息，是物联网全面感知的主要部件，是信息技术的源头，
也是现代信息社会赖以存在和发展的技术基础。
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1.1.2传感器的概念
传感器技术、通信技术和计算机技术并列为信息技术的三
大支柱，它们构成了信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”，
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第1章 物联网与传感器概述
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1.1
物联网与传感器的概念 传感器的组成和分类
1.2
1.3
传感器的技术特点和发展趋势
无线传感器网络
1.4
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1.1
物联网与传感器的概念
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被测量
敏感 元件
转换 元件
测量 电路
电信号
辅助电源
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转换 元件
它是直接感受被测量，并输 出与被测量构成有确定关系、更 易于转换的某一物理量的元件。
被测量
电量 敏感元件
转换元件
测量电路
将敏感元 件感受或响应 的被测量转换 成适于传输或 测量的电信号
把转换元 件输出的电信 号变换为便于 处理、显示、 记录、控制和 传输的可用电 信号
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7.生命力强，不会轻易退出历史舞台 例如，应变式传感器已有 70多年的历史，目前仍然在重量 测量、压力测量、微位移测量等领域占有重要地位。
8.品种多样，一种被测量可采用多种传感器
例如，线位移传感器的品种有近20种之多。
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3.传感器网络化
传感器网络化是由传感器技术、计算机技术和通信技术相 结合而发展起来的，每个传感器节点都集成了传感、处理和通信 的功能。 例如，智能微尘（Smart Dust）。
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1.4
无线传感器网络
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1.4.1无线传感器网络的概念
或响应被测量，是传感器技术的核心。
（3）传感器的输出信号形式：体现在电信号上。输出信号需要
解决非电量向电信号转换，微弱电信号向可用电信号转换的问题。
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1.1.3传感器是物联网全面感知的基石
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人 自身的感觉器官研究自然现象和生产规律，显然是远远不够的。 传感器是人类感觉器官的延长，因此传感器又称为电五官。 传感器是整个物联网中需求量最大和最为基础的环节之一。 传感器不仅可以单独使用，还可以由大量传感器、数据处理单元
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2.多传感器融合 多传感器融合是指多个传感器集成与融合技术。单个传感 器不可避免地存在不确定性或偶然不确定性，缺乏全面性，缺乏 鲁棒性，偶然故障就会导致传感器系统失灵。多个传感器融合正
是解决这些问题的良方。
例如，多个传感器集成与融合最早用于美国的军事领域。
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或响应被测量（一般为非电量）的部分；转换元件指传感器中能
将敏感元件感受或响应的被测量转换成有用输出信号（一般为电 信号）的部分。 传感器转换元件输出的信号（一般为电信号）都很微弱， 传感器一般还需配以测量电路，有时还需要加辅助电源。
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图1.1为传感器的组成框图，包括敏感元件、转换元件、 测量电路和辅助电源。
性和重构性。
（3）硬件资源有限 传感器节点由于受到价格、体积和功耗的限制，在通信能力、计 算能力和内存空间等方面比普通计算机要弱很多。
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（4）能量受限
传感器节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。 （5）大规模网络 为了对一个区域执行高密度的监测、感知任务，无线传感
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课程目标
本课程在物联网的框架下阐述传感器技术。本课程的目标有3个，一是
介绍物联网的系统架构，给出物联网与传感器之间的关系，表明传感器在物
联网中所处的地位和作用；二是讲解各类传感器的工作原理、结构组成、特 性分析、测量方法和应用实例，这部分是本课程的重点，这些内容强调了从
传统传感器到现代传感器知识体系的完整性；三是给出传感器数字化、微型
器网络往往将成千上万、甚至更多的传感器节点投放到这个区域。
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（6）以数据为中心
主要关心某个区域的某些观测指标，而不是关心具体某个 传感器节点的观测数据。 （7）无人值守 无线传感器网络往往在无人值守的状态下工作。 （8）易受物理环境影响 要求无线传感器网络具有动态环境变化的适应性。
4.技术复杂，工艺要求高
传感器的制造涉及了许多高新技术，技术复杂。传感器的制
造工艺难度大、要求高。
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5.性能稳定，环境适应性强 要求具有高的可靠性、稳定性、重复性等。做到准确可靠，
经久耐用，性能稳定。
6.应用广泛，应用要求千差万别 阿波罗10运载火箭部分使用了2077个传感器，宇宙飞船部 分使用了1218个传感器；汽车上有100多个传感器。
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1.3.3传感器微型化、多功能、集成化的发展趋势
1.传感器微型化 例如，敏感元件的尺寸为微米级。 2.传感器多功能 例如，将检测Na、K、H的敏感元件集成在 2.5×0.5mm芯片 上，用导管送到心脏内，可检测血液中钠、钾、氢离子的浓度。 3.传感器集成化 例如，传感器与集成电路（IC）的集成制造技术。
数包括热工量、电工量、机械量、化学量、生物量、状态量等。
这需要开发多种多样的敏感元件和传感器。
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3.知识密集，学科边缘性强 传感器技术综合了物理学、化学、生物工程、微电子学、材 料科学、微细加工等方面的知识，具有突出的知识密集性。各学
科一旦有新的发现，就迅速用于传感器，具有学科边缘性。
1.1.1 物联网的概念
物联网是在互联网的基础上，将用户端延伸和扩展到 任何物体，进行信息交换和通信的一种网络。物联网的英 文名称为The Internet of Things，由该名称可见，物联网就 是“物与物相连的互联网”。
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物联网传感器技术与应用
物联网需要对物体具有全面感知的能力，对信息具有 互通互联的能力，并对系统具有智慧运行的能力，从而形 成一个连接人与物体的信息网络。传感器是物联网的感觉
光电式（包括光电效应、红外、 CCD 、光纤）、化学（包括离子敏、气敏、
湿敏）和生物传感器的转换原理、结构组成、特性分析、测量方法和应用。 第11 ～12章介绍了传感器的数字化、集成化、智能化和网络化，涵盖
了数字式传感器、微机电系统、智能传感器、多传感器信息融合、现场总线、
无线传感器网络、物联网等内容。
的年代。近20年来，传感器的发展非常迅速，目前全球传感器的
种类已超过2万种。
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1.3.1传感器的技术特点
1.内容离散，涉及多个学科 传感器的内容离散，涉及到物理学、化学、生物学等多个 学科。 2.种类繁多，彼此相互独立
传感器的种类繁多，被测参数彼此之间相互独立。被测参
无线传感器网络（WSN）是由大量的、静止或移动的传感 器节点，以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是以协作 的方式感知、采集、处理和传输在网络覆盖区域内被感知对象的 信息，并把这些信息发送给用户。
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物联网传感器技术与应用
无线传感器网络的任务是利用传感器节点监测节点周围的
环境，收集相关数据，然后通过无线收发装置采用多跳的方式将